光滑粒子法的改进及其在凝聚炸药爆轰问题中的应用

凝聚炸药的爆轰及爆轰驱动金属是涉及高温、高压和大变形的瞬态响应过程。基于实验的研究会涉及经费投入和安全性等问题，而理论研究则不易于分析爆轰的中间过程，因而数值模拟成为了凝聚炸药爆轰问题研究的重要手段之一。本项目拟针对凝聚炸药爆轰问题所具有的物理特性，利用光滑粒子在模拟强间断、大变形等瞬态响应问题中所具有的优点，进一步对光滑粒子法进行理论研究并将其应用到凝聚炸药爆轰问题中去。主要的研究内容包括以下几个方面：1）在光滑粒子法中嵌入凝聚炸药起爆的反应率方程，并通过对反应区及强间断区域附近粒子的跟踪来引入类似黎曼解的处理方法来提高波阵面处数值模拟的精度和防止因物理量的突变而造成的数值振荡；2）在基于黎曼解光滑粒子法的基础上，针对爆轰问题中存在多相介质相互作用的特性，发展异相介质粒子间接触处理算法；3）开发模拟凝聚炸药爆轰及爆轰驱动金属等问题的光滑粒子法程序，并进行验证分析。

按照项目研究计划，基于无网格光滑粒子法（SPH）对凝聚炸药起爆过程及凝聚炸药爆炸作用下介质的响应等物理问题进行模拟研究，并根据凝聚炸药爆炸响应问题所具有的特性对SPH方法进行改进，使其能更有效、稳定地再现凝聚炸药爆炸响应过程。通过项目资助，完成了以下具体的研究工作：.1）通过将描述凝聚炸药反应过程的点火-增长模型嵌入到SPH方法中，实现了SPH方法对凝聚炸药起爆过程的模拟。分别以PBX-9404和TATB两种典型凝聚炸药的起爆过程为例开展了分析，验证了嵌入点火-增长模型后的SPH方法能有效模拟凝聚炸药的起爆过程，并且数值精度也令人满意。同时分析了粒子数目对该问题模拟的影响，由结果得知粒子数目对嵌入点火-增长模型后的SPH方法模拟结果影响不大。并据此将算法拓展到二维问题，再现了凝聚炸药两点起爆后柱形爆轰波的形成及交汇过程；.2）实现了凝聚炸药在飞片冲击作用下的起爆模拟，该起爆响应过程涉及到不同材料粒子点间的相互作用，并且采用传统SPH方法模拟时，峰值压力附近存在数值振荡。通过研究，对不同材料粒子点间的相互作用采用了粒子接触算法进行处理，同时基于黎曼解对SPH方法进行修正，对传统SPH方法在模拟该问题时出现的压力振荡进行了处理。最后，采用修正后的SPH方法再现了飞片冲击作用下凝聚炸药的起爆过程，并且获得的特征参量比传统的SPH方法精度要高；.3）采用所实现的模拟凝聚炸药起爆的SPH方法对涉及凝聚炸药爆炸过程的物理问题开展了研究，并根据模拟分析的需求，在研究过程中实现了轴对称SPH方法及FE-SPH耦合方法。分别对线性聚能射流的形成过程、长杆弹侵彻反应装甲的过程、含铝炸药在混凝土介质中的爆炸响应过程进行了模拟研究，通过数值模拟结果及相关参考数据或实验数据的比较分析，验证了本项目研究实现的SPH方法对该类问题模拟的可靠性。. 在项目的资助下，项目组按项目计划顺利完成了项目的研究，并由研究总结完成学术论文共8篇，其中已接收发表的论文6篇，已投稿处于审稿中的论文2篇，在已接收的论文中有3篇SCI、1篇EI及2篇一般期刊论文。项目开展期间，项目组参加学术会议12人次。项目研究在人才培养方面已毕业硕士研究生1名，在读博士生2名，在读硕士生2名。. 最后再次感谢自然科学基金委对项目的资助使本项目得以开展并顺利完成。